在用C++的项目源码中,经常会不可避免的会看到下面的代码:
它到底有什么用呢,你知道吗?而且这样的问题经常会出现在面试or笔试中。下面我就从以下几个方面来介绍它:
- 1、#ifdef _cplusplus/#endif _cplusplus及发散
- 2、extern "C"
- 2.1、extern关键字
- 2.2、"C"
- 2.3、小结extern "C"
- 3、C和C++互相调用 4、C和C++混合调用特别之处函数指针
- 3.1、C++的编译和连接
- 3.2、C的编译和连接
- 3.3、C++中调用C的代码
- 3.4、C中调用C++的代码
1、#ifdef _cplusplus/#endif _cplusplus及发散
在介绍extern "C"之前,我们来看下#ifdef _cplusplus/#endif _cplusplus的作用。很明显#ifdef/#endif、#ifndef/#endif用于条件编译,#ifdef _cplusplus/#endif _cplusplus——表示如果定义了宏_cplusplus,就执行#ifdef/#endif之间的语句,否则就不执行。
在这里为什么需要#ifdef _cplusplus/#endif _cplusplus呢?因为C语言中不支持extern "C"声明,如果你明白extern "C"的作用就知道在C中也没有必要这样做,这就是条件编译的作用!在.c文件中包含了extern "C"时会出现编译时错误。
既然说到了条件编译,我就介绍它的一个重要应用——避免重复包含头文件。还记得腾讯笔试就考过这个题目,给出类似下面的代码(下面是我最近在研究的一个开源web服务器——Mongoose的头文件mongoose.h中的一段代码):
01 |
#ifndef MONGOOSE_HEADER_INCLUDED |
02 |
#define MONGOOSE_HEADER_INCLUDED |
06 |
#endif /* __cplusplus */ |
15 |
#endif /* __cplusplus */ |
17 |
#endif /* MONGOOSE_HEADER_INCLUDED */ |
然后叫你说明上面宏#ifndef/#endif的作用?为了解释一个问题,我们先来看两个事实:
- 这个头文件mongoose.h可能在项目中被多个源文件包含 (#include "mongoose.h"),而对于一个大型项目来说,这些冗余可能导致错误,因为一个头文件包含类定义或inline函数,在一个源文件中 mongoose.h可能会被#include两次(如,a.h头文件包含了mongoose.h,而在b.c文件中#include a.h和mongoose.h)——这就会出错(在同一个源文件中一个结构体、类等被定义了两次)。
- 从逻辑观点和减少编译时间上,都要求去除这些冗余。然而让程序员去分析和去掉这些冗余,不仅枯燥且不太实际,最重要的是有时候又需要这种冗余来保证各个模块的独立。
为了解决这个问题,上面代码中的
#ifndef MONGOOSE_HEADER_INCLUDED
#define MONGOOSE_HEADER_INCLUDED
/*……………………………*/
#endif /* MONGOOSE_HEADER_INCLUDED */
就起作用了。如果定义了
MONGOOSE_HEADER_INCLUDED,#ifndef/#endif之间的内容就被忽略掉。因此,编译时第一次看到mongoose.h头
文件,它的内容会被读取且给定MONGOOSE_HEADER_INCLUDED一个值。之后再次看到mongoose.h头文件
时,MONGOOSE_HEADER_INCLUDED就已经定义了,mongoose.h的内容就不会再次被读取了。
2、extern "C"
首先从字面上分析extern "C",它由两部分组成——extern关键字、"C"。下面我就从这两个方面来解读extern "C"的含义。
2.1、extern关键字
在一个项目中必须保证函数、变量、枚举等在所有的源文件中保持一致,除非你指定定义为局部的。首先来一个例子:
3 |
int f(){ do something here} |
在file2.c中g()使用的x和f()是定义在file1.c中的。
extern关键字表明file2.c中x,仅仅是一个变量的声明,其并不是在定义变量x,并未为x分配内存空间。变量x在所有模块中作为一种全局变量只
能被定义一次,否则会出现连接错误。但是可以声明多次,且声明必须保证类型一致,如:
在这段代码中存在着这样的三个错误:
- x被定义了两次
- b两次被声明为不同的类型
- c被声明了两次,但却没有定义
回到extern关键字,extern是C/C++语言中表明函数和全局变量作
用范围(可见性)的关键字,该关键字告诉编译器,其声明的函数和变量可以在本模块或其它模块中使用。通常,在模块的头文件中对本模块提供给其它模块引用的
函数和全局变量以关键字extern声明。例如,如果模块B欲引用该模块A中定义的全局变量和函数时只需包含模块A的头文件即可。这样,模块B中调用模块
A中的函数时,在编译阶段,模块B虽然找不到该函数,但是并不会报错;它会在连接阶段中从模块A编译生成的目标代码中找到此函数。
与extern对应的关键字是 static,被它修饰的全局变量和函数只能在本模块中使用。因此,一个函数或变量只可能被本模块使用时,其不可能被extern “C”修饰。
2.2、"C"
典型的,一个C++程序包含其它语言编写的部分代码。类似的,C++编写的代码片
段可能被使用在其它语言编写的代码中。不同语言编写的代码互相调用是困难的,甚至是同一种编写的代码但不同的编译器编译的代码。例如,不同语言和同种语言
的不同实现可能会在注册变量保持参数和参数在栈上的布局,这个方面不一样。
为了使它们遵守统一规则,可以使用extern指定一个编译和连接规约。例如,声明C和C++标准库函数strcyp(),并指定它应该根据C的编译和连接规约来链接:
1 |
extern "C" char * strcpy ( char *, const char *); |
注意它与下面的声明的不同之处:
1 |
extern char * strcpy ( char *, const char *); |
下面的这个声明仅表示在连接的时候调用strcpy()。
extern "C"指令非常有用,因为C和C++的近亲关系。注意:extern "C"指令中的C,表示的一种编译和连接规约,而不是一种语言。C表示符合C语言的编译和连接规约的任何语言,如Fortran、assembler等。
还有要说明的是,extern "C"指令仅指定编译和连接规约,但不影响语义。例如在函数声明中,指定了extern "C",仍然要遵守C++的类型检测、参数转换规则。
再看下面的一个例子,为了声明一个变量而不是定义一个变量,你必须在声明时指定extern关键字,但是当你又加上了"C",它不会改变语义,但是会改变它的编译和连接方式。
如果你有很多语言要加上extern "C",你可以将它们放到extern "C"{ }中。
2.3、小结extern "C"
通过上面两节的分析,我们知道extern "C"的真实目的是实现类C和C++的混合编程。在C++源文件中的语句前面加上extern "C",表明它按照类C的编译和连接规约来编译和连接,而不是C++的编译的连接规约。这样在类C的代码中就可以调用C++的函数or变量等。(注:我在这里所说的类C,代表的是跟C语言的编译和连接方式一致的所有语言)
3、C和C++互相调用
我们既然知道extern "C"是实现的类C和C++的混合编程。下面我们就分别介绍如何在C++中调用C的代码、C中调用C++的代码。首先要明白C和C++互相调用,你得知道它们之间的编译和连接差异,及如何利用extern "C"来实现相互调用。
3.1、C++的编译和连接
C++是一个面向对象语言(虽不是纯粹的面向对象语言),它支持函数的重载,重载这个特性给我们带来了很大的便利。为了支持函数重载的这个特性,C++编译器实际上将下面这些重载函数:
编译为:
这样的函数名,来唯一标识每个函数。注:不同的编译器实现可能不一样,但是都是利
用这种机制。所以当连接是调用print(3)时,它会去查找_print_int(3)这样的函数。下面说个题外话,正是因为这点,重载被认为不是多
态,多态是运行时动态绑定(“一种接口多种实现”),如果硬要认为重载是多态,它顶多是编译时“多态”。
C++中的变量,编译也类似,如全局变量可能编译g_xx,类变量编译为c_xx等。连接是也是按照这种机制去查找相应的变量。
3.2、C的编译和连接
C语言中并没有重载和类这些特性,故并不像C++那样print(int
i),会被编译为_print_int,而是直接编译为_print等。因此如果直接在C++中调用C的函数会失败,因为连接是调用C中的
print(3)时,它会去找_print_int(3)。因此extern "C"的作用就体现出来了。
3.3、C++中调用C的代码
假设一个C的头文件cHeader.h中包含一个函数print(int i),为了在C++中能够调用它,必须要加上extern关键字(原因在extern关键字那节已经介绍)。它的代码如下:
4 |
extern void print( int i); |
相对应的实现文件为cHeader.c的代码为:
5 |
printf ( "cHeader %d\n" ,i); |
现在C++的代码文件C++.cpp中引用C中的print(int i)函数:
5 |
int main( int argc, char ** argv) |
执行程序输出:
3.4、C中调用C++的代码
现在换成在C中调用C++的代码,这与在C++中调用C的代码有所不同。如下在cppHeader.h头文件中定义了下面的代码:
4 |
extern "C" void print( int i); |
相应的实现文件cppHeader.cpp文件中代码如下:
7 |
cout<< "cppHeader " <<i<<endl; |
在C的代码文件c.c中调用print函数:
1 |
extern void print( int i); |
2 |
int main( int argc, char ** argv) |
注意在C的代码文件中直接#include "cppHeader.h"头文件,编译出错。而且如果不加extern int print(int i)编译也会出错。
4、C和C++混合调用特别之处函数指针
当我们C和C++混合编程时,有时候会用一种语言定义函数指针,而在应用中将函数
指针指向另一中语言定义的函数。如果C和C++共享同一中编译和连接、函数调用机制,这样做是可以的。然而,这样的通用机制,通常不然假定它存在,因此我
们必须小心地确保函数以期望的方式调用。
而且当指定一个函数指针的编译和连接方式时,函数的所有类型,包括函数名、函数引入的变量也按照指定的方式编译和连接。如下例:
01 |
typedef int (*FT) ( const void * , const void *); |
04 |
typedef int (*CFT) ( const void *, const void *); |
05 |
void qsort ( void * p, size_t n, size_t sz,CFT cmp); |
08 |
void isort( void * p, size_t n, size_t sz,FT cmp); |
09 |
void xsort( void * p, size_t n, size_t sz,CFT cmp); |
12 |
extern "C" void ysort( void * p, size_t n, size_t sz,FT cmp); |
14 |
int compare( const void *, const void *); |
15 |
extern "C" ccomp( const void *, const void *); |
17 |
void f( char * v, int sz) |
21 |
qsort (v,sz,1,&compare); |
24 |
isort(v,sz,1,&compare); |
注意:typedef int (*FT) (const void* ,const void*),表示定义了一个函数指针的别名FT,这种函数指针指向的函数有这样的特征:返回值为int型、有两个参数,参数类型可以为任意类型的指针(因为为void*)。
最典型的函数指针的别名的例子是,信号处理函数signal,它的定义如下:
1 |
typedef void (*HANDLER)( int ); |
2 |
HANDLER signal ( int ,HANDLER); |
上面的代码定义了信函处理函数signal,它的返回值类型为HANDLER,有两个参数分别为int、HANDLER。 这样避免了要这样定义signal函数:
1 |
void (* signal ( int , void (*)( int ) ))( int ) |
比较之后可以明显的体会到typedef的好处。